CN101044325B - 压力交换器 - Google Patents

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Abstract

一种用于将压力能从一相对高压的液流传递到另一相对低压的液流的压力交换器被提供。一个管状转子被定位于压力容器两个端盖之间的中心轴上，其具有与一对低压端口连通的同轴的入口和出口对，所述低压端口具有倾斜角以在所述转子旋转方向上的形成入口切向速度矢量和在所述转子相反旋转方向上形成出口切向速度矢量。一对高压端口适用于没有倾斜角和不对所述转子施加动量，并且在不影响所述转子的RPM(每分钟转数)前提下液流可以不一样。端盖具有一个倾斜表面，跟随着一平坦密封区域，所述平坦密封区域增加旋转方向上的间隙，从而引起降压过程中外流量的增加以及在管被暴露于低压端口之前的较低管压，并进一步引发管暴露到高压端口之前加压状态下的流入量增加，这将消耗压力能而不会产生可导致磨损和噪声气穴现象或压力波。

Description

压力交换器
相关申请的交叉引用
本申请要求2004年8月10日提交的名称为“PressureExchanger”的(美国)临时申请第60/599,760号的优先权，该临时申请的公开内容作为参考被并入本文。
技术领域
本发明涉及一种用于将压力能从一液流传递到另一液流的压力交换器，其内包含一个压力容器或压力管，所述压力容器具有通过一个转子连通的每一液流的入口和出口，所述转子具有多个同轴通管(through-going coaxial duct)并被设置成绕一对相对端盖之间的纵向轴线旋转，从而引导所述转子内部和外部的第一和第二液流的液体交换。
背景技术
已知上述类型的商用压力交换器表现出操作上的流动限制，因为没有应用上述专利而出现噪音过多、流动阻力、混流和气穴现象。此外，制造这种零件需要极端的和昂贵的容限，以及由不均匀弹性变形导致的受限的材料选择。
Hauge的美国专利第4,887,942号(在此将其全部并入本文作为参考)，描述了基于所谓升阻原理(lift and drag principle)的液流本正转原理，其中转子管壁起水翼的作用。暴露到低压液体的退出流的转子管的拖尾部在高流速下有产生气穴现象的危险，因此成为一个限制单位流量的因素。
Hauge的美国专利第5,988,993号(在此将其全部并入本文作为参考)，描述了一转子的定位***，所述转子要求使转子和外轴承套配对的非常严格的容限，这增加了制造成本。此外，因为液体从高压(或称高压力)下的液流渗出并以无出口模式穿过径向转子/衬套间隙，所以流体静力学支撑原理要求高过滤。在一定的环境和应用中这可能导致转子淤积和堵塞。外衬套还防止转子OD(外径)根据端盖OD或者压力容器ID(内径)定尺寸，并因此进一步限制效率和容量。
Polizos等人的美国专利第6,540,487号，描述了一种设法避免高压液体的突然降压和破坏性的气穴现象及噪音的压力传递机制。然而，实际上它只是部分成功，因为气穴现象的破坏转移到连接通道并离开端盖端口的退出边沿。
Hauge的美国专利第6,659,731号(在此将其全部并入本文作为参考)，描述返回降压液体，其通过转子的中心以引起具有低效结果的不必要的流动阻力。所述压力容器具有多个外部密封件，所述密封件最终将渗漏并需要更换，这将导致操作中断和昂贵的维护成本。
发明内容
因此，需要一种压力交换器至少改善现有压力交换器存在的上述缺点中的一些。因此，本发明的至少一个目标就是提供一种不为上述缺点困扰的压力交换器。
根据本发明的至少一个实施例，提供了一种具有增加流量和开始动量的压力交换器。根据本实施例的压力交换器利用一侧单向冲量动量(impulse momentum)原理来实现本正转，所述本正转不易受气穴现象的影响。
根据本发明的至少一个实施例，一种压力交换器被配置成表现出增加的流量，同时拥有改进的操作和制造效率。根据本实施例的压力交换器包括一个定位转子的中心轴，以及一个全直径尺寸转子。
根据本发明的至少一个实施例，提供了一种具有改进的转子管的降压和加压的压力交换器。根据本实施例的压力交换器包括一几何结构，其控制旋转方向上的端盖间隙的减少以获得这种改良的性能。
根据本发明的至少一个实施例，提供了一种被配置成不易受端盖轴的大幅变形或不均匀变形影响的压力交换器。通过暴露在高压下的区域完成力的平衡，所述区域被定位于与每个端盖的分离力(或横压力)的矩心完全相反的位置。根据本实施例的压力交换器可以获得相当的或者改良的性能，并且允许转子使用除了陶瓷之外的材料和更大的长度/直径比率。
根据本发明的至少一个实施例，提供了一种具有降低的渗漏可能性的压力交换器。根据本实施例的压力交换器包括单个外部密封件。
本发明的至少一个实施例可提供一种将压力能从第一液流传递到第二液流的压力交换器。根据本实施例的压力交换器可包括一个基本上为圆柱形的压力容器，一对位于压力容器相反端的端盖，每个端盖具有至少一个制于其中通道，一个转子，其被布置在容器内且包括多个共轴通管并被设置成绕一对相对端盖之间的纵向轴线旋转，转子适合于引导在转子内部和外部的液体交换，一对液体入口，以及一对液体出口，其与液体入口连通以促使第一液流和第二液流通过转子，其中液体入口侧的相对端盖通道的方向被设置成具有一倾斜角度以将一个单向旋转冲量动量施加在转子上，而不管第一和第二液流相对压力容器通过旋转方向上的入口切向流动矢量分量和相反旋转方向上的外流(outflow)切向流动矢量分量的流动方向。
根据本发明的至少一个其他实施例可提供一种用来从一液流到另一液流交换压力的双向压力转换装置。根据本实施例的压力转换装置可包括一个压力容器，一对布置在压力容器的相反端的端盖，每个端盖具有至少一个制于其中的液体通道，一个位于压力容器内部的转子，其包括多个共轴通管并设置成绕所述一对相对端盖之间的纵向轴线旋转，转子引导液体在转子内部和外部交换，第一基本上轴向的液流通路，所述通路垂直于转子旋转平面并包括通过转子连通的入口和出口，以及第二液流通路，其至少部分平行于第一液流通路穿过并围绕转子并包括基本垂直于第一液流通路的入口和出口，其中相反端盖液体通道被导向在具有一倾斜角度的入口侧以将一个单向旋转冲量动量施加在转子上，而不管通过旋转方向上的入口切向流动矢量分量以及相反旋转方向上的外流切向流动矢量分量的流动方向。
根据本发明的至少一个附加实施例可包括一个用于淡化海水的反渗透***。根据本实施例的***可包括淡水供给(supply)，海水供给，使淡水供给与海水供给分离或分隔开的隔膜，其中海水供给被保持在一个对隔膜的足够大压力来反转淡水流入海水的渗透趋势，以及用于增加供给反渗透***的海水压力的压力交换器，所述压力交换器，包括一个完全圆柱形压力容器，一对位于压力容器的相对端的端盖，每个端盖具有至少一个制于其中的通道，一个被布置在所述容器内的转子，其包括多个共轴通管并被设置成绕一对相对端盖之间的纵向轴线旋转，适用于引导液体在转子内部和外部交换的转子，一对液体入口，一对液体出口，其与液体入口连通的以促进第一液流和第二液流通过转子，其中液体入口侧的相反端盖通道的方向被设置为具有一倾斜角度以将一个单向旋转冲量动量施加在转子上，而不管第一和第二液流相对压力容器通过旋转方向上的入口切向流动矢量分量以及相反旋转方向上的外流切向流动矢量分量的流动方向。
这些和其他实施例以及本发明的优点，其可能被单独使用或者选择性地组合使用，通过如下结合附图的详细描述将会变得很明显，所述附图通过示例解释了所述发明的原理。
附图说明
图1是根据本发明的至少一个实施例的压力交换器的外部透视图；
图2(a)和2(b)是根据图1中所说明的示范性实施例的压力交换器及其部件的局部剖视图和全剖视图；
图3是说明本正转的冲量动量原理的力矢量图；
图4(a)和4(b)说明根据本发明至少一个实施例的压力交换器的密封区域中的几何结构作用受控压力变化的示意图；
图5(a)和5(b)是根据本发明至少一个实施例的压力交换器端盖的局部剖视图；
图6是一个阐明根据本发明至少一个实施例的作用在端盖上的力和压力交换器中的反作用平衡力的力矢量图。
具体实施方式
如下的描述是用来传达对实施例的全面理解，所述实施例是通过提供包括用于将压力能从一液流传递到另一的压力交换器的多个具体实施例和细节来描述的。然而，应该意识到，本发明不限于这些具体实施例和细节，它们仅仅是示范性的。应进一步理解的是，本领域普通技术人员，根据已知***和方法，将会意识到为实现想到的目的和好处可在多个替代性实施例中使用本发明，这取决于具体设计和其它需求。
现在参考图1，其说明了根据本发明的至少一个实施例的压力交换器的一个外部实施例。图1中描述的压力交换器包括一个压力容器1，其具有可拆卸的端帽或端盖2，所述端盖具有一个低压液体出口4并用一个锁环3将其固定，以提供一个进口，通过所述入口内部组件可被***。一个低压液体入口5位于相反端，另外用于高压液流的液体入口6和出口7基本上垂直于或法向于压力容器1排列。
图2a显示了内部组件的不同部件，其中具有圆形管10的转子8使用空心的中心轴9，以实现定位、支承功能和装配，所述中心轴具有贯穿其中的张力杆11。张力杆11的每一端均穿过每个端盖21、22的中心面，并用螺母12和保险件(voucher)13来将其固定中心凹处。安装在每个端盖的凹处和中心轴9的每一端中的轴衬14提供了转子组件的坚固的中心固定。
第一高压出口流7直接连通转子容器间隙15并对其加压，所述间隙通过一个O形环密封件16与高压入口流6隔离。在各种实施例中，高压出口流7可以是较少杂质的流动，比如反渗透(“RO”)设备中的给水，所述反渗透设备仅仅允许给水向第二低压废弃流5渗透。
本发明的各种实施例在RO淡水回收设备中可具有特定用处，在所述装置中盐水在足够反转淡水流入盐水的渗透作用的压力下，被泵吸通过浸没在淡水中的渗透隔膜。
每个端盖21、22均具有一个平衡区域18，其被高压液流加压，所述平衡区域等于与端盖的中心稍微偏移的低压相反区域(lowpressure counter area)20和由密封件19限定的整个端盖背面区域之间的差异，所述密封件19面向可拆卸的端帽2和相对低压入口4的固定端面。第一液流端盖22具有一个低压端口23和一个高压端口24，且第二液流端盖21具有一个高压入口端25和一个低压出口端26。
图2b显示了一个抬高表面27，其可被合并在转子8或者端盖21、22的端面中。如果转子8由脆性材料比如陶瓷制成，那么通过外部高压使材料保持在压缩状态下是有利的。然而，这将增加下述情况出现的可能性，由于通过这些管的反作用液流，转子将呈现一种状态，即外密封区域与相对端盖的低压侧不平行地接触。已知这种状态导致不对称的反向间隙压力梯度，从而在转子上产生一个力，所述力垂直于接触或邻接的端盖并又导致阻止启动旋转的锁定。这将在接触端的间隙28中产生较低的平均压力，因为当低压给向内的渗透流动提供更多阻力时，其将向接触边界蔓延。抬高表面27将会限制转子的轴向运动并避免端盖表面和外转子边缘的接触。由于外部加压，高压侧没有可导致潜在锁定的压力梯度。
防止这种锁定发生的另一种办法是使用一种转子材料，其可被置于完全外部降压的张力下，从而在低压侧间隙中将没有压力梯度。由于高压端口24和25的向外渗漏流动，压力梯度将设法将转子8置于中心，从而减少，并理想地防止在这种配置中发生锁定的可能性。
图3是一个阐明本正转的冲量动量原理的力矢量图。该图说明了在一个切向横截面中的第一和第二液流的原理流动安排，在所述横截面，转子管10在旋转平面内具有一切向速度，所述切向速度与第一输入低压流的切向入口速度分量相似。切向速度(Vr)和切向入口速度(Vyin)之间的关系的特点可用下面的方程1描述：(1)Vr≈Vyin
根据本发明的各种实施例，压力交换器的一般概念是通过一个倾斜角引入输入流，其基本上向转子8引入很少或不引入旋转动量。管内的同轴入口速度分量(Vxin)基本上与管速度分量(Vd)相似，并且其关于管速度的特点可由下面的方程2来描述：(2)Vxin≈Vd
当切向速度分量被反转时，通过出口端口26的第二液流的外流(Vyout)基本上负责将旋转动量施加到转子8。参见下面的方程3：(3)Vyout≈-Vyin
旋转动量的特点由方程4描述，其中Fyt是y方向上的冲量，而[(MVy)out-(MYy)in]是y方向上动量的改变量。(4)Fyt≈[(MVy)out-(MYy)in]而切向速度分量(Vxin)保持不变：(5)Vxin≈Vd≈Vxout
尽管附图指示了低压端口的流入和流出的相似倾斜角，应该理解的是，这取决于转子RPM(每分钟转数)和其对旋转的摩擦阻力的要求的或优选的关系。
应该意识到，在各种实施例中，以及在某些应用中，压力交换器的高低压侧可被转换。此外，应该意识到，高压流动通过相似的端口几何结构施加旋转动量，尽管这可能需要额外的改变，所述改变关于作用在端盖和转子之间的分离力的平衡。
图4a和4b显示了在端盖的密封区域中几何结构作用受控压力变化。尽管这些图显示了转子管和一端的端口开口之间的相互作用，可以想象出该特定特征优选与两个端盖结合。
图4a显示了降压管10a的初始相位，所述管已从高压端口进入到密封区域29，并且其拖尾边缘31a完全处于密封区域29内。密封区域29和30分别具有带有倾斜表面33a和33b的一般平面，尽管倾斜表面33b倾斜得并不严重。当为拖尾边缘31a保持固定间隙时，在引导边缘32a向低压端口23移动时，引导边缘32a将进入倾斜表面33a从而提供增大的间隙。尽管附图显示了加压管10b及其拖尾和引导边缘31b、32b，所述边缘31b、32b同时从低压端口23进入密封区域30，其可优选支持足够的时间间隔以避免共振压力脉动。在各种实施例中，这可通过对管数目的操作或者通过对端口角度不对称的操作而安排。管10b的剩余密封区域30可具有一朝向高压端口的斜面33b。
理解到，降压区域33a必须产生一个阻力因素以阻止间隙中的退出渗漏流的空化的速度，而加压区域33b不受相似的约束，是非常重要的。
图4b显示了降压管10a的第二相位，所述降压管已从高压端口进入到密封区域29，且当其向低压端口23移动时，其拖尾边缘31a仍然处于密封区域29内而引导边缘32a已经进入倾斜表面33a以提供增大的间隙，而同时仍然为其拖尾边缘31a保持固定的间隙。图中增压管10b被显示于相似的位置，此处液体以一种受控的方式增加压力并消耗压力能，否则当进入高压端口时所述压力能将产生强的压力波和过多的噪音。
图5a显示了非动量施加端盖22的前表面的转子，其引导第一或者压力较低的液流通过低压端口23的入口5进入转子管，并且当管横越过密封区域30时获得部分高压，在高压端口24的倾斜区域33b的出口处获得全部压力。第一液流以高压退出而不通过出口7施加任何旋转动量。管中的剩余液体容量在通过密封区域29时部分地降压，并以完全低压通过倾斜区域33a。端盖还配备了用于安装张力杆的中心穿孔34，以及用于安装中心衬套的凹陷35。
图5b显示了端盖22的后表面，这里第一液流通过中心入口5进入，并接近张力杆的螺母和保险件，随后流动进入低压端口23。第一液流从端口24通过出口7以高压退出。
尽管端盖基本上是相互的左和右翻版，或者镜像，本发明的构造并不受限制，并且不排除相对端盖的个别特征，比如端口壁的倾斜角相互可以完全不同，从而满足由本发明或特定应用的全局设计和功能中的其他约束或参数产生的要求。
图6显示了平衡端盖和转子之间分离力的动力学。如图所示，在端盖密封区域和转子之间的渗漏流遵从一定的压力梯度，其中：A-B指示从外部转子间隙空间15到低压端口区域23的下降；C-D指示从低压端口区域B-C的低压到在轴9的外部凹槽中的中间压力的压力增加，而D-E代表由张力杆上螺母和保险件的箝位力产生的均匀力区域；E-F指示从凹槽到高压端口的全压力增加；而F-G-H代表端口24和外部间隙空间15的均匀的高压水平。所述附图显示了横跨对称线X-Y时的压力梯度和所导致的来自所有区域的压力，所述所有区域的压力可以由位于全部力矩心或质心(centroid)的力F代替。
端盖的后侧由对称线X-Y和关联的压力梯度线a-b-c-d以及全高压下的力平衡区域18和由密封件19限制在其内的低压相反区域20限定，从而产生一个替代力C，其大小和位置被设置为以平衡相对的分离力F。
本发明的实施例不限于这里描述的具体实施例的范围。例如，尽管这里所公开的实施例中的许多都以特定的构造描述，这里描述的本发明的原理同样适用于其他构造。实际上，本发明实施例的各种修改，除这里所描述的之外，参照前面的描述和附图，对本领域普通技术人员将会很明显。因此，这些修改应属于权利请求的范围。此外，尽管在这里本发明的一些实施例在特定执行的情境，在特定环境下以特定目的来描述，本领域的普通技术人员将认识到，其实用性并不限制在那里，本发明的实施例可在多种的环境下为多种目的有益地执行。因此，所提出的权利要求应当被解释成考虑这里所公开的本发明实施例全部精神。

Claims (19)

1.一种将压力能从第一液流传递到第二液流的压力交换器，包括：
基本上为圆柱形的压力容器；
一对位于所述压力容器相对端的端盖，每个所述端盖具有至少一个制于其中的通道；
转子，其被布置于所述容器内，包括多个同轴通管，并被设置成绕所述一对相对端盖之间的所述交换器的纵向轴线旋转，所述转子适用于引导所述转子内部和外部的液体交换，其中每个端盖背对所述转子的表面均具有一个承受高压的区域，所述高压提供一个基本等于端盖和转子之间分离力的法向压力，所述端盖和转子各自的矩心被共同调整或匹配；
一对液体入口；以及
一对液体出口，其与所述液体入口连通以促进第一液流和第二液流通过所述转子，其中相对端盖通道流过低压液体且其方向被设置成具有一相对于所述纵向轴线倾斜角度，以将一个单向旋转冲量动量施加在所述转子上，而不管所述第一和第二液流相对所述压力容器的流动方向是经由旋转方向上的入口切向流动矢量分量还是经由相反旋转方向上的外流切向流动矢量分量。
2.根据权利要求1所述的压力交换器，其中所述第二液流以相反方向流入和流出所述压力交换器，而基本上不在所述转子上施加旋转动量。
3.根据权利要求1所述的压力交换器，其中所述端盖被配置成彼此基本相反的镜像。
4.根据权利要求1所述的压力交换器，，其中所述转子绕中心轴旋转，且每一轴端均被固定到所述相对端盖。
5.根据权利要求1所述的压力交换器，其中每一轴端均被固定于所述相对端盖，且一根中心张力杆可拆卸地固定到所述端盖中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的压力交换器，其中所述转子和所述端盖中的至少一个装配有一个抬高的中心表面区域，以防止转子外密封区域获得一个锁定位置。
7.根据权利要求1所述的压力交换器，其中至少一个端盖适用于在扩展角运动上对所述转子管液体进行降压和加压，所述至少一个端盖具有弯曲端盖或阶梯状端盖几何形状中的至少一个，在其起始点处，管开口位于密封区域中并在其上使管引导边缘间隙沿旋转方向可控增加。
8.根据权利要求1所述的压力交换器，其中所述压力容器具有通向密封平衡舱的同轴流动通道，所述密封平衡舱被不对称地定位成直接通向或开口到具有倾斜通道的端盖端口。
9.根据权利要求1所述的压力交换器，其中非冲量施加液流在公共同轴平面的相同方向上基本上径向地流入和流出压力容器。
10.根据权利要求1所述的压力交换器，其中所述压力容器的至少一端被配置有一可拆卸的端部封闭物，以便允许***或拆除至少一个压力交换器部件。
11.根据权利要求1所述的压力交换器，进一步包括一个密封件，其被布置在一端盖和所述压力容器的一内壁之间，所述内壁处于所述压力容器的侧面开口和一转子端之间。
12.根据权利要求1所述的压力交换器，其中所述转子容器间隙能够直接从高压流由内部转子端间隙渗漏来增压，或者所述空间直接从低压侧降压。
13.根据权利要求1所述的压力交换器，其中所述压力容器包括一个监视所述转子的旋转速度的装置。
14.根据权利要求13所述的压力交换器，其中所述用于监视的装置包括一透明窗。
15.根据权利要求14所述的压力交换器，其中所述用于监视的装置包括一个反射面，所述反射面允许对通过所述透明窗可见的旋转速度进行光学测量。
16.根据权利要求1所述的压力交换器，其中所述一对相对端盖具有不同的且角度范围不均匀的端口。
17.根据权利要求1所述的压力交换器，其中旋转方向上的入口切向流动矢量分量和相反旋转方向上的外流切向流动矢量分量之间的关系如下面的表达式所示：
Vyout≈-Vyin
18.一种从一液流向另一液流交换压力的双向压力交换装置，包括：
压力容器；
一对端盖，其被布置在所述压力容器的相对端上，每个端盖具有至少一个制于其中的液体通道；
转子，其位于所述压力容器内部，包括多个同轴通管并被设置成绕所述一对相对端盖之间的纵向轴线旋转，所述转子引导液体在转子内部和外部交换，其中其中每个端盖背对所述转子的表面均具有一个承受高压的区域，所述高压提供一个基本等于端盖和转子之间分离力的法向压力，所述端盖和转子各自的矩心被共同调整或匹配；
第一基本上轴向的液流通路，其垂直于所述转子旋转平面，且包括连通所述转子的入口和出口；以及
第二液流通路，其至少部分平行于通过和环绕所述转子的第一液流通路，并且包括一个基本垂直于所述第一液流通路的入口和出口，
其中相对端盖的液体通道流过低压液体，而且其方向设置成具有一倾斜角度，以将一个单向旋转冲量动量施加在所述转子上，而不管经由旋转方向上的入口切向流动矢量分量和相反旋转方向上的外流切向流动矢量分量的、所述第一和第二液流的流动方向。
19.一种用于淡化海水的反渗透***，包括：
淡水供给；
海水供给；
将所述淡水供给与所述海水供给分隔开的隔膜，其中所述海水供给相对隔膜保持在足够反转淡水流入海水的渗透趋势的压力；以及
压力交换器，其是用来增加供应到所述反渗透***的海水压力，所述压力交换器包括：
基本上为圆柱形的压力容器；
一对位于所述压力容器的相对端上的端盖，每个端盖具有至少一个制于其中的液体通道；
转子，其被布置在所述容器内，包括多个同轴通管并被设置成绕所述一对相对端盖之间的所述交换器的纵向轴线旋转，所述转子适用于引导在转子内部和外部的液体交换，其中每个端盖背对所述转子的表面均具有一个承受高压的区域，所述高压提供一个基本等于端盖和转子之间分离力的法向压力，所述端盖和转子各自的矩心被共同调整或匹配；
一对液体入口；以及
一对液体出口，其与所述液流入口相连通以促进第一液流和第二液流通过所述转子，其中相对端盖通道流过低压液体且其方向被设置成具有一相对于所述纵向轴线的倾斜角度以将一个单向旋转冲量动量施加在所述转子上，而不管经由旋转方向上的入口切向流动矢量分量以及相反旋转方向上的外流切向流动矢量分量的、所述第一和第二液流相对于所述压力容器的流动方向。
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